过程装备控制技术及应用--习题

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太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
过程装备控制技术及应用—习题
2 过程装备控制基础 P57 思考题与习题
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1 什么是被控对象的特性?表征被控对象特征的 参数有哪些?它们的物理意义是什么?
答 被控对象的特性是指被控对象的输出变量随输入变量
变化的规律。 当输入变量阶跃变化时，被控对象的特性可用输出变量随 时间的变化规律来表示。表征被控对象特征的参数有放大 系数K、时间常数T、滞后时间。其中： 放大系数K是指被控对象重新达到平衡状态时的输出变 化量与输入变化量之比； 时间常数T反映被控对象受到输入作用后，输出变量达 到新稳态但的快慢，它决定整个动态过程的长短； 滞后时间描述对象滞后现象 放大系数K是静态参数，时间常数T、滞后时间为动态 参数。
控制通道，如果放大系数大，则调节器的输出变化不大，对被控对象的
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5．试从图2-67某对象的反应曲线中，表示出该 对象的放大系数、时间常数和滞后时间?
解：
放大系数 K＝H／ qv1； 时间常数 在反应曲线上找到输出量变化至终值63.2％
时的坐标点，它所对应的时刻与输出量开始变化时的 时刻t0之差就是时间常数； 滞后时间＝0。
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7．图1-14为储槽液位控制系统，工艺要求液位 保持为某一数值
①试画出系统的方框图； ②指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用 各是什么？ 解 ①方框图如图；②该液位控制系统中， 被控对象 储液槽； 被控变量 液位址 操纵变量 调节阀控制的液体流量 干扰作用 qv1的变化。
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10．比例、积分、微分控制分别用什么量表示其控制作用 的强弱?并分别说明它们对控制质量的影响。
答：比例、积分、微分控制分别用比例度δ 、积分时间TI、
微分时间TD来表示其对控制质量的影响。 ①比例度δ 对控制质量的影响： δ 越大，比例控制作用 越弱；减小比例度使系统的稳定性和动态性能变差， 但可相应地减少余差，使系统的静态准确度提高。 ②积分时间TI对控制质量的影响 TI减小，会使系统的稳定 性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度， 提高系统的静态准确度。 ③微分时间TD对控制质量的影响 增加微分时间TD，能 克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的 稳定性，但微分时间不能过大，否则有可能引起系统 的高频振荡。
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5．什么是闭环控制？ 什么是开环控制？ 定值控 制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？
答：闭环控制是将控制系统的输出信号返回到输入端，让
其影响操纵变量，从而影响输出信号的控制方式。 开环控制是 控制系统的输出信号不会影响操纵变量的 控制方去； 定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值 控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输 出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小， 反之则影响操纵变量使输出信号增大。可见，定值控 制系统满足闭环负反馈系统的要求。
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回复时间：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态
的时间间隔．即整个过渡过程所经历的时间。在实际应用 中，规定为只要被控变量进入新稳态值的土5％(或土2％) 的范围内且不再超出时为止所经历的时间。回复时间短， 说明系统回复稳定快，即使干扰频繁出现，系统也能适应。 一般希望回复时间越短越好。 振荡周期：过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波 峰之间的时间间隔称为振荡周期，取倒数称为振荡频率。 在相同的衰减比条件下，振荡周期与回复时间成正比。一 般希望振荡周期短些好。
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11．试画出在阶跃输入作用下，比例、比例积分、 比例积分微分调节器的输出特性曲线。
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12．比例积分微分调节器有什么特点?
答 比例控制反应快，控制及时，但有余差存在；积分控
制作用缓慢，但能消除余差；微分控制具有一定的超前控 制作用，能抑制系统振荡，增强稳定性(但微分作用不宜 过强)。若将三者结合起来，并选择合适的比例度、积分 时问、微分时间，将比例、积分和微分作用结合起来，就 可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。
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4．在控制系统中，对象的放大系数、时间常数、 滞后时间对控制有什么影响?
答 ①放大系数K ：
影响也会很大，控制很灵敏；反之，K小会使被控变量变化迟缓。 干扰通道，K较小，即使干扰幅度很大，也不会对被控变量产生很大的影 响；若K很大，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统就很难稳定。 ②时间常数T： 控制通道，若时间常数T大，则被控变量的变化比较缓和，一般来讲，这 种对象比较稳定、容易控制，缺点是控制过于缓慢；若时间常数T小，则 被控变量的变化速度快，不易控制。 对于干扰通道，时间常数大则有明显的好处，此时阶跃干扰系统的影响 会变得比较缓和，被控变量的变化平稳，对象容易控制。 ③滞后时间对控制的影响 控制通道，滞后的存在不利于控制，会使控制不够及时，在干扰出现后 不能迅速调节，严重影响控制质量； 干扰通道，纯滞后只是推迟了干扰作用的时间，因此对控制质量没有影 响，而容量滞后则可以缓和干扰对被控变量的影响，因而对控制系统是 有利的。
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3．什么是自动控制系统的方框图?它与工艺流程图 有什么不同?
答：自动控制系统的方框图是系统中每个元件的功能和信
号流向的图解表示，它用来表示控制系统的组成和作用， 够清楚地表示出控制系统中各个部分之间的相互影响和信 息联系。它的特点： 每一个组成部分称为“环节”； 信号流向单向性； 具有一个加法器。 它与工艺流程的区别在于工艺流程图表示系统物料流向的 构成方式。
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6 图1-13的换热器出口温度控制系统中，
工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。
①试画出该控制系统的方框图； ②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么?整个系 统的输入信号和输出信号又是什么? ③系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大)时，该 系统是如何实现自动控制的?
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6解
①由各个环节构成的方框图如附图所示。
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2．为什么说放大系数是对象的静态特性，而时 间常数和滞后时间是动态特性?
答 由于放大系数表达的是被控对象在干扰作用下重新达
到平衡状态的性能，而时间常数与滞后时间分别反映的是 整个动态过程的长短和被控变量的滞后时间，均与时间变 化有关，故而说放大系数是对象的静态特性，而时间常数 和滞后时间是动态特性。 3 什么是被控对象的控制通道?什么是干扰通道， 答 被控对象的控制通道是指操纵变量与被控变量之间 的联系，干扰通道指的是干扰作用与被控变量之间的联系。
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8．什么是自动控制系统的过渡过程，在阶跃干扰的作用下 有哪儿种基本形式?其中些能满足自动控制的要求，哪些不 能?为什么?
答 对于任何一个自动控制系统，从被控对象受到干扰作用使被控变




量偏离结定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值 附近范围内的过程叫系统的过渡过程。 过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作 用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。 发散扼荡过程； 非振荡发散过程； 等幅振荡过程； 衰减振荡过程； 非振荡衰减过程 其中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制 要求。但由于衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢， 致使被控变量长时间偏离给定位，所以一般不采用。只有当生产工艺 不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。 等幅振荡过程在控制质量要求不高的双位控制中可以采用、 非振荡发散过程和发散振荡过程受到阶跃于扰后不能稳定下来，不符 合自动控制的要求。
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9．试回出衰减比分别为n＜1、n＝1、n＞1、 n→∞时的过渡过程曲线。
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10．表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?
答 衰减振荡过程的控制指标主要有：最大偏差A、衰减比
n、回复时间c5、余差、振荡周期T。含义如下。 最大偏差：是指过渡过程中被控变量偏离没定值的最 大数值。最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度， 最大偏差愈大被控变量偏离设定值就越远，这对工艺 条件要求较高的生产过程是十分不利的。 衰减比n：是指过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰 之比。对于衰减振荡而言，n总是大于1的。若n接近1 控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n小 于1，则为发散振荡过程；n越大，系统越稳定，当n趋 于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。根据实际操 作经验，通常取n＝4-10为宣。
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8．什么是余差?为什么单纯的比例控制不能消除 余差而积分控制能消除余差?
答 ：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与
设定值之差，即‘(。)＝y(。)一yj。对于单纯的比例控制 A“(‘)＝xP×f(f)，则要使调节器有输出，就必须要有余差 存在[即f(f)广o]，放单纯的比例控制必然有余差存在。而 积分调节器A M(2)＝KJ[‘c(2)d2，只有在余差等于零的情 况下[即‘(f)＝o时]，积分调节器的输出信号才能 J D为 零，因此积分控制能消除余差。 9．为什么积分控制规律一般不单独使用? 答： 纯积分控制规律的输出变化总要滞后于偏差的变化， 不能有效及时地克服扰动的影响，其结果是加剧了被控变 量的波动，使系统难以稳定下来。因此在工业过程控制中， 通常不单独使用积分控制规律，而是将它与比例控制组合 成比例积分控制来应用。
②整个系统的输入信号是热物料设定温度，输出信号是热
物料实际温度。 ③系统遇到干扰作用后，被控变量热物料温度发生变化， 温度测量变送器TT测得信号与设定信号比较后得到偏差信 号，送入温度调节器Tc得到控制信号，控制阀门开度，调 节蒸汽用量，作用于被控过程，调节热物料的温度，使其 保持在给定位附近。
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过程装备控制技术及应用
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控制系统基本概念 P11-12 思考题与习题程自动化主要 包括了哪必内容? 答：生产过程自动化系统是利用自动化装置来管理生产过程 的方法。生产过程自动化包括以下四部分：自动检测系统、 信号连锁系统、自动操作系统、自动控制系统 2.自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?自动控制系统中 常用的术语是哪些? 答： 自动控制系统主要由被控对象、测量元件和变送器、 调节器、执行器等环节组成。 自动控制系统中常用的术语包括：被控变量、给定值、 测量值、操纵变量、干扰、偏差信号、控制信号。
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6．什么是调节器的控制规律?调节器有哪几种基 本控制规律?





答 调节器的调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。调节 器的基本控制规律有；位式调节规律、比例调节规律、积分调节规律、微分 调节规律。 7．什么是双位控制、比例控制、积分控制、微分控制?它们各有什么特点? 答：双位控制：是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置。双位控制 结构简单、成本较低、使用方便，对配用的调节阀无任何特殊要求，一般带 有上下限发信装置的检测仪表；缺点是被控变量总在波动，控制质量不高， 且当被控对象纯滞后较大时，被控变量被动幅度较大，不宜用在控制要求较 高的场合。 比例控制是指调节器输出变化量与输入变化量成比例关系，比例控制系统能 较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制的优点是反 应快，控制及时；其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在， 积分控制是指调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。积分控制 能够消除余差，但纯积分控制的输出变化总要滞后于偏差的变化，不能及时 有效地克服扰动的影响，结果使被控变量的波动加剧，使系统难以稳定下来 微分控制是指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。微分 控制的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增强稳定性(但微分 作用不宜过强)。
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4．在自动控制系统中，什么是?什么是控制作用? 两者有什么关系？
答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变
量偏离给定值的作用； 控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其 与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律 计算出控制信号来改变操纵变量，克服干扰作用。 两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干 扰对被控变量的影响